悬停旋翼桨尖涡吹气控制的数值模拟

开槽桨尖是减弱旋翼桨尖涡强度的一种被动流动控制手段。旋翼桨尖涡由于涡量高度集中在一个很小的区域范围内，数值计算容易受到网格分布和数值耗散的影响，导致涡量耗散过快，不利于对旋翼尾迹涡开展研究。针对这一问题，文中采用重叠网格局部加密和湍流模型旋转修正等方法，获得了悬停旋翼的高分辨率桨尖涡流场。采用该方法，对比研究Caradonna-Tung旋翼基本外形和开槽桨尖外形在悬停状态下的空间旋涡流场，从涡量分布、旋涡特征速度等方面研究了开槽桨尖控制桨尖涡强度的流动机理，比较了4种不同开槽方式对控制效果的影响，以及对旋翼悬停性能的影响。结果表明，开槽桨尖能够有效减弱桨尖涡的强度，但同时会对旋翼拉力和扭矩产生一定的负面影响。     

基于自适应非结构嵌套网格的旋翼流场模拟

针对直升机旋翼CFD仿真的复杂性,提出了改进的适合于格心格式求解器的非结构嵌套网格算法。采用自适应网格技术在旋翼流场仿真的整个过程中进行网格的自适应加密和疏化操作,以更好地捕捉桨尖涡等流动细节。对于频繁的自适应过程中产生的大量重复点和无用点,采用了高效的交替数字树算法(Alternating digital tree,ADT)和标记-删除-移动算法(Mark,delete,move,MDM)进行删除,节约了不必要的存储。针对格心格式的求解器,采用了基于梯度的网格间插值方式,简化了网格间数值传递的复杂性,同时不降低求解器的精度。对CaradonnaTung旋翼悬停算例和HLISHAPE 7A旋翼悬停算例进行了模拟验证,计算值与实验值吻合,表明本文建立的方法具有良好的鲁棒性和有效性。最后,与未采用自适应时求解器对桨尖涡的捕捉效果进行了对比,结果表明本文所采用的方法可以明显地提高求解器对桨尖涡的捕捉。     

基于嵌套网格和计入尾迹影响的旋翼流场数值模拟

给出了三维Euler方程数值模拟悬停状态旋翼流场的方法和模型。为充分考虑旋翼尾迹对流场的影响,采用了由动量理论导出的远场边界条件和由尾迹诱导速度代入滑移条件而构造的新翼面边界条件。为减少尾迹数值耗散和便于添加上述边界条件,采用了嵌套网格方法。针对嵌套网格中关键的贡献单元搜寻问题,本文采用一种伪贡献单元搜寻法。应用上述方法进行了算例计算,给出了有无尾迹修正时的旋翼桨叶表面压力分布和沿展向升力分布的计算结果,并与可得到的实验数据进行了对比。此外,从计算的等涡量线图上分析了旋翼尾迹流场畸变的发展趋势,表明了Euler方程法在旋翼涡尾迹捕捉方面的能力。     

旋翼悬停状态桨尖涡测量方法研究

为了研究旋翼桨尖涡涡核结构，采用粒子图像测速（PIV）技术对4m直径桨尖开孔旋翼在悬停状态的桨尖涡流场进行了详细测量，获得了旋翼145°方位角处桨尖涡附近流场的速度分布，以及桨尖涡的涡核半径、旋转速度和涡量分布等试验数据，并研究了PIV分析中选取不同审查窗尺寸对桨尖涡结构测量结果的影响。为了避免桨尖涡位置不稳定的影响，提出了基于桨尖涡流场速度特征的条件平均法，并与简单平均法和基于涡量峰值的条件平均法进行了对比，验证了对桨尖涡流场进行条件平均的必要性，以及所提出的条件平均法的有效性。     

共轴刚性旋翼气动干扰数值计算方法

建立了一个适用于共轴刚性旋翼气动特性分析的数值模拟方法。该方法采用任意拉格朗日欧拉方法(Arbitrary Lagrange Euler,ALE)描述的可压缩Navier-Stokes(N-S)方程求解流场,采用低数值耗散的Roe格式进行空间离散;使用多重嵌套网格方法以模拟双旋翼的运动。针对共轴刚性旋翼配平,引入"差量修正"策略解决了传统配平中雅克比矩阵计算复杂的问题。首先,对Harrington-2共轴双旋翼的悬停气动性能进行了计算,然后,对某2 m直径共轴双旋翼的悬停及前飞状态进行了计算,并与试验值进行了对比。结果表明:在典型状态下拉力系数的计算结果与试验值误差在3%以内,扭矩系数的计算结果与试验值误差基本在5%以内;所采用的数值计算方法对旋翼涡尾迹特征具有较高的捕捉精度,可以有效模拟共轴刚性旋翼悬停和小速度前飞下的复杂流场及其细节特征。     

基于混合网格的直升机旋翼/机身非定常干扰流场数值模拟方法

基于混合网格建立了一个适合于直升机旋翼/机身非定常干扰流场的数值模拟方法。其中,采用混合网格系统生成旋翼/机身干扰流场网格以降低网格生成难度;将二阶MUSCL格式和Roe格式相结合进行空间离散以提高流场的计算精度;同时引入隐式LU-SGS时间格式和OpenMP并行模式以提高干扰流场的计算效率。应用建立的计算方法,对Georgia和Robin旋翼/机身模型进行了数值模拟和分析,与试验结果良好的相关性表明了该方法的有效性。     

基于CFD方法的主动襟翼控制旋翼翼型涡特性研究

基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,建立了一个适用于旋翼二维主动襟翼控制(Active flap control,AFC)数值模拟的方法。在满足对翼型参数化分析的前提下,使用Euler方程求解以提高计算速度,并采用嵌套网格方法对AFC旋翼后缘襟翼进行运动控制。应用所建立的方法,首先进行了算例验证计算,然后着重对AFC旋翼翼型进行了数值模拟。在此基础上,进一步开展了AFC旋翼翼型主要参数对后缘涡影响的计算分析。结果表明:提高桨尖马赫数、增加后缘小翼摆动频率能加快涡产生速度;而提高桨尖马赫数、增大后缘小翼摆动幅度和后缘小翼长度能增大涡的强度;但增大后缘小翼与主桨叶缝隙间距仅在一定范围内能够增加涡强度。     

悬停旋翼桨尖涡的试验研究

为了详细研究悬停旋翼桨尖涡的形成与发展过程,以及旋翼状态参数与桨尖涡及其尾迹的关系,开展了桨尖涡及其尾迹的测量和研究.在研究中采用了Ф2m旋翼模型试验台、单桨叶(翼型为NACA 0015)旋翼模型和二维PIV测量系统,通过改变转速和总距角的状态组合,对桨尖周围及近尾迹局部区域进行了详细的桨尖涡流场测量.通过研究,基本掌握了用PIV测量旋翼动态流场的技术;利用PIV成功地获取了从桨尖前缘至后缘下游近流场的不同方位角截面粒子流动图像;通过后处理获得了合理有效的结果.测量结果表明,桨尖涡在桨叶表面形成的过程中,其强度逐渐增强;桨尖涡的强度与旋翼的桨尖马赫数和总距等密切相关.     

直升机旋翼桨-涡干扰脉冲噪声传播特性研究

建立了一个基于Navier-Stokes方程和自由尾迹模型的高效耦合CFD方法,用于旋翼桨-涡干扰气动和噪声特性的研究。该方法将旋翼流场计算域分为两部分:在桨叶附近区域,通过求解Navier-Stokes方程来模拟流场中旋翼桨尖涡的形成;在尾迹输运区,采用自由尾迹模型表示尾迹涡的运动及其影响。噪声的计算采用基于声学类比法的FW-H方程。应用上述方法对AH-1/OLS旋翼桨-涡干扰状态进行了计算,通过对比脉冲噪声的声压时间历程,验证了方法的有效性。在此基础上,对桨-涡干扰噪声的空间传播特性进行了研究。计算结果表明:下降飞行状态的旋翼,在桨盘面会产生多处桨-涡干扰现象,桨叶片数增多,干扰也会明显增加;桨-涡干扰噪声具有较强的方向性,指向旋翼前行侧的前下方,其噪声声压级的衰减速率与距离成线性反比关系。     

针对旋翼流场模拟的自适应网格算法

针对基于格心格式求解器的旋翼流场模拟,提出了相应的自适应笛卡尔网格的数据存储结构及自适应算法。给出了相应的单元处理策略,简化了对自适应笛卡尔网格的处理;对于频繁的自适应加密过程中产生的大量重复点,采用了高效的交替数字树算法(Alternating digital tree,ADT)予以删除;对于自适应疏化过程中产生的大量无用点,提出了标记-删除-移动(Mark,delete,move,MDM)算法予以快速地删除,减少了不必要的计算资源消耗。对CaradonnaTung旋翼在不同悬停状态下进行了模拟验证,对比了压力分布系数与桨尖涡位置。之后对HELISHAPE 7A旋翼在前飞情况下进行了模拟验证,计算值与实验值吻合。此外,求解器对桨尖涡的捕捉效果得到了明显的提高,表明本文方法具有良好的有效性与鲁棒性。     

旋翼平行桨-涡干扰噪声的参数影响

建立了一个新的基于Euler和FW-H方程的旋翼平行桨-涡干扰噪声的计算方法.为减小由于空间离散格式精度和网格密度引起的涡数值耗散,使用了预定涡方法.桨-涡干扰噪声的计算则采用基于声学类比法的FW-H方程.以Kitaplioglu的平行桨-涡干扰试验模型为算例,验证了方法的有效性.在此基础上,分析了干扰距离、涡强、桨尖马赫数和涡旋转方向对桨-涡干扰噪声的影响,并得出结论:增大干扰距离可有效地降低桨-涡干扰噪声,当干扰距离大于数倍弦长时,噪声幅值与干扰距离的平方成反比;涡强仅改变噪声大小,对噪声的脉冲特性无影响;而桨尖马赫数对噪声幅值和方向都有影响,且噪声幅值与马赫数的7次方成正比.     

应用PIV测量缩比共轴双旋翼流场特性的研究

采用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)技术对一缩比共轴双旋翼模型在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验。测量得到了旋翼流场的瞬时涡量的速度分布,桨尖涡的脱落轨迹,悬停时的尾迹边界和前飞时的尾迹边界等流场特性参数分布。研究了不同状态下共轴双旋翼流场的气动干扰特性。在悬停时,下旋翼的桨尖外侧有上洗流现象,而下旋翼则没有。与共轴双旋翼性能试验数据比较得出,在悬停时共轴双旋翼形式存在有利的相互气动干扰现象。实验还得出了悬停和不同前进比前飞时桨尖涡的脱落轨迹。     

直升机机身对旋翼气动干扰的计算

建立了一个全耦合的机身对旋翼气动干扰的迭代计算方法。在该方法中，使用自由涡系模型代表旋翼对干扰流场的影响，使用三维面元模型替代机身的作用，并采用了一个基于“分析数值解匹配”方法的贴近涡／面干扰模型以改进机身引起尾迹畸变的计算。应用该分析方法，以Maryland大学4片桨叶的模型旋翼和机身为算例，计算了悬停和前飞状态机身对旋翼的气动干扰影响。计算结果表明，机身对旋翼气动干扰在悬停和前飞时是不同的，且从悬停至前飞，机身对旋翼平面某方位的诱导速度存在一个从上洗至下洗的过渡。     

共轴刚性旋翼悬停状态气动干扰机理

建立了一个基于Navier-Stokes(N-S)方程的共轴刚性旋翼气动干扰数值模拟方法。应用运动嵌套网格技术模拟双旋翼反转运动。通过与试验值对比,验证了方法的有效性。分析了共轴刚性旋翼悬停状态的气动性能和流场特征,结果表明,双旋翼气动干扰主要来自4个方面:双旋翼尾迹涡相互诱导引起"涡诱导效应",使上旋翼气动性能优于下旋翼;双旋翼周期性相遇-离开过程中桨叶附着涡干扰引起"载荷效应",对应拉力周期性升降波动;双旋翼相遇时"厚度效应"使双旋翼拉力产生相反的脉冲波动;上旋翼尾迹涡与下旋翼桨叶碰撞引起垂直"桨-涡干扰效应",使下旋翼桨叶展向拉力分布受到干扰。     

High-Order Discontinuous Galerkin Method for Hovering Rotor Simulations Based on a Rotating Reference Frame

An implicit higher ? order discontinuous Galerkin(DG) spatial discretization for the compressible Euler equations in a rotating frame of reference is presented and applied to a rotor in hover using hexahedral grids. Instead of auxiliary methods like grid adaptation,higher ? order simulations(fourth ? and fifth ? order accuracy) are adopted.Rigorous numerical experiments are carefully designed,conducted and analyzed. The results show generally excellent consistence with references and vigorously demonstrate the higher?order DG method's better performance in loading distribution computations and tip vortex capturing, with much fewer degrees of freedom(DoF). Detailed investigations on the outer boundary conditions for hovering rotors are presented as well. A simple but effective speed smooth procedure is developed specially for the DG method. Further results reveal that the rarely used pressure restriction for outlet speed has a considerable advantage over the extensively adopted vertical speed restriction.     

直升机旋翼旋转噪声的估算

准确地预估直升机噪声水平是直升机噪声研究的主要目标之一。本义以Farassat的亚音速时域公式1A为基础,给出了旋翼旋转噪声的估算方法,适用于任意观察位置和各种直线飞行状态。在不考虑桨叶弹性的条件下,导出了用于数值计算的延迟时间方程和声压计算公式中各被积函数的表达式。本文以国内Z—8直升机旋翼和国外1/4缩比的UH—1旋翼模型为算例,对悬停飞行条件下的旋翼旋转噪声进行了计算。在此基础上,讨论了桨叶叶尖马赫数、桨盘载荷和桨叶翼型对噪声的影响。     

计及机匣相对运动的涡轮叶片叶顶凹槽流动研究

叶尖泄漏流是造成航空发动机涡轮内部损失的重要因素,而凹槽叶尖是控制叶尖泄漏流的有效手段,准确了解凹槽内的流动结构有助于认识泄漏流的流动规律和泄漏损失的物理机制。为了详细研究考虑机匣相对运动时叶尖凹槽腔内流动结构变化及其对泄漏流的影响,搭建了可模拟机匣相对运动的低速平面叶栅实验台,该实验台可以进行不同叶型、不同叶顶结构以及不同攻角等因素的研究。采用PIV技术设计了一种可以在机匣相对运动时对凹槽腔内流动进行测量的可视化测量方法。使用该测量方法捕捉到了凹槽腔内旋涡的流动结构,结合数值结果分析了不同机匣运动状态下凹槽腔内流动结构的演化过程,结果表明:刮削涡在凹槽腔内形成类似气动篦齿的封严效果,减小了间隙出口有效流通面积,降低了凹槽叶尖的射流系数,从而达到了控制泄漏流动的目的;选择合适的负荷分布和凹槽几何能够提升刮削涡的堵塞效果并扩大控制范围;均匀加载叶片使用叶尖凹槽时控制泄漏流的效果更加明显;径向间隙的大小直接影响叶顶凹槽内部流动结构的产生和演化,从而改变凹槽叶尖控制叶尖泄漏的效果。